大气辐射学1

F = πL
当辐射通量密度是由一个发射面射出时， 则此量称为辐出度（emittance）；当按波长
表达时，它称为单色辐出度。 （monochromatic emittance）。
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
第1章 大气辐射基本知识
1.2 黑体辐射定律
黑体的定义 黑体辐射定律
1990
1995
2000
2005
瓦里关 380 (36o17'N,100o54'E,3810m.a.s.l)
370
浓度 (ppmv)
360
350 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
CO2浓度的垂直分布（引自日本东北大学中泽、青木等人）
From IPCC2007
1、 电磁波频谱
电磁辐射
电磁波的描述：
λ ⋅ f = c, ν = 1 = f . λc
波长 频率 波速 波数
电磁波谱：不同波长或频率的电磁波有不同 的物理特性，因此可以用波长和频率来区分 电磁辐射，并给以不同的名称，称之为电磁 波谱。
电磁波谱
μm
可见光波段是整个电磁波谱中很窄的一部分； 红外波段可分为近红外与远红外波段； 无线电波中的亚毫米波到分米波称为微波。
A λ ,T
任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一 温度下黑体的辐出度。
在相同温度时，黑体的辐出度最大的，其他物体 都无法超过它。
定义物体的放射能力和黑体的辐射能力之比为比辐射率：
ε λ,T
=
Fλ ,T
FB (λ,T )
则有：
ε λ,T = Aλ,T
结论；物体的比辐射率等于其吸收率。
基尔霍夫定律的意义
2000
（IPCC 2001）
From IPCC 2007
人类活动所造成的大气成分的变化（如温室气体和 对流层气溶胶的增加）以及自然原因（如火山喷发 和太阳变化）对气候系统的扰动，首先是对大气辐 射场的扰动；
1958年以来在美国夏威夷冒纳罗亚观测到的 大气CO2浓度的变化
冒纳罗亚 380 (19o32'N,155o35'W,3397m.a.s.l)
)
−
1
2
式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温
度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.7427×108
Wm-2μm4； c2 — 第二辐射常数，1.4388×104
μmK；
黑体光谱辐射随波长和温度的依赖关系。
不同温度时黑体辐射光谱的不同
随着温度的下降，辐射能量集中的波段向 长波方向移动；
当温度升高时，各波段放射的能量均增 大，总辐射能也随之迅速增大，且能量集 中的波段向短波方向移动；
每一温度下，都有辐射最强的波长，即光 谱曲线有一极大值，而且随温度色和那个 高，波长变小。
(2) Kirchhoff定律：
在热平衡条件下，任何物体的辐射率（辐出度） Fλ ,T 和它的吸收率 Aλ ,T 之比值是一个普适函数。且 该普适函数只是温度和波长的函数，而与物体的 性质无关。表示为： F λ ,T = f ( λ , T )
究生院 《大气辐射学》-刘长盛、刘文保著（南京出版
社） Goody, R. M., Atmospheric radiation, Oxford Uni.
Press, 1964.
何谓“大气辐射学”？
什么是大气辐射学？ 大气辐射学研究什么内容？
大气辐射学是研究大气中辐射传输的规律 及地球大气辐射能量收支的学科。它在当 代气候模拟研究中占有极为重要的地位。
上图分成三段
0 ~ 1000 µm.K 1000~ 24000µm.K 24000~∞ µm.K 第一、第三段的辐射能量不到总能量的
1%，辐射能量集中在第二段。
太阳（6000K）能量集中在0.17~4.0µm
地面（300K）能量集中在3.3！80µm
大气（平流层下层。200K）能量集中在 5~120µm。
辐射场内任一点处通过单位面积的辐射通量称为 辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。
∫ Fλ = Ω Iλ cosθdΩ
辐射通量密度与辐亮度的关系
∫ Fλ = Ω Iλ cosθdΩ
意义： 对于某空间平面，通过该平面的辐射通 量密度可认为是从各个方向射来的辐亮 度在法线方向分量的累加。
黑体的定义 黑体：是指能吸收投入到 其面上的所有辐射能的物 体，是一种科学假想的物 体，现实生活中是不存在 的。但却可以人工制造出 近似的人工黑体。 灰体：吸收率A不随波长而 变，但A<1，则称该物体为 灰体。
黑体示意图
黑体辐射定律
黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言 是基础知识。
支配黑体辐射的四个基本定律：
将物体的吸收能力和放射能力联系了起 来，只要知道了某种物体的吸收率，也就 知道了它 的比辐射率；
将各种物体的吸收、放射能力与黑体的放 射能力联系了起来。
(3)Stefan-Boltzmann定律：
∫ ∫ Eb =
∞ 0
Ebλ
dλ
=
∞ 0
e
c2
c1λ − 5
(λT )
−
1
d
λ
= σT 4
式中，σ= 5.67×10-8 w/(m2⋅K4)，
360
340
320 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
浓度 (ppmv)
浓度 (ppmv)
380 南极 (89o59'S,24o48'W,2810m.a.s.l)
370
360
350
340
330 1975
1980
1985
大气辐射学的主要目的是了解和定量分析 在行星大气中分子、气溶胶、云、地面与 太阳及行星辐射的能量交换作用，其进展 与辐射传输的理论和各种波长的辐射仪探 测的发展密切相关。
大气辐射学的理论基础是大气分子光谱学 和电磁波传播 (辐射传输) 理论 。
大气辐射学的基本研究内容是太阳辐射和 热辐射在大气中传输的物理过程和基本规 律，以及地气系统的辐射收支。
上课时不要接打手机，手机最好关机
出勤要求
不定时点名 有特殊情况者，须向院办请
假，假条盖章后再交予我
书目
教材以《大气辐射导论》（第2版），廖国男著， 气象出版社。为主 ，以下书目为辅：
《大气辐射学基础》，尹宏著，气象出版社。 《大气物理学》第二篇，盛裴轩、毛节泰等著，
北京大学出版社。 《大气辐射学》讲义，石广玉著，中国科学院研
辐射强度与方向无关时，即各向同性辐射， 辐射通量密度为：
Fλ = πIλ
计算水平面上辐射通量密度方法
0 - π/2
θ
上端
τ=0
下端
τ=τ1
π/2- π
∫ ∫ ⎪⎧Fλ↑ =
⎨
⎪
∫ ∫ ⎩
Fλ ↓
=
2π
0
2π
0
π
0
2
Iλ
⋅ cosθ
⋅ sin θdθdϕ
,
π π
2
Iλ
⋅
cosθ
⋅
sin
θdθdϕ
dΩ =
dσ
r2
= sinθdθdφ
立体角内的微分辐射能量：
dEλ = Iλ cosθdAdΩdλdt
单色强度（辐亮度）：
单位面积、单位时间、单位波长和单位球面度上所通过的 能量。
单色强度（specific intensity）：
Iλ
=
dEλ
cosθdΩdλdtdA
辐亮度
辐亮度：在辐射传输方向上的单位立体角 内，通过垂直于该方向的单位面积、单位波 长间隔的辐射功率（辐射通量密度）。亦称 为辐射率。
N.H. Temperature (°C) Global Temperature (°C)
6
未来气候如何变
5
化？ 4
未来100年里，温度将上升 1.5-5.8oC
巨大的不确定性主要来自，缺乏对控制气候系统
3
的物理机制和反馈过程的认识，诸如云-气候反
馈等。
2
1 0.5
0 -0.5
1000
15。
由辐射最强的波长可以确定绝对黑体的温度， 这是用光谱方法测定物体温度的基础。
有了上述四个规律，黑体辐射的规 律就全部确定了。对于非黑体，只 要知道了它的温度与吸收率，通过 基尔霍夫定律，其辐射光谱也就确 定了。
太阳辐射与地球辐射的差别
太阳表面的温度和地球大气的温度差别很大，两者辐射能量 集中的光谱段是不同的。
发生在气候系统中的各种重要的反馈过程， 例如雪冰反照率/地面温度反馈、云-辐射相 互作用、水汽反馈以及化学-气候反馈等，无
一不与辐射过程有关。
地球气候系统反馈过程示意图
图1-1 (from Peixoto and Oort, 1992）
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
第1章 大气辐射基本知识
1.1 辐射的基本概念
辐射：任何物体，只要温度大于绝对零 度，都以电磁波形式向四周放射能量，同 时也接收来自四周的电磁波。
这是由物质的本性决定的，是由物质本身 的电子、原子、分子运动产生的，一般把 这种电磁波能量本身称为辐射能，简称为 辐射；而把这种能量传播方式称为辐射。
学习大气辐射学有何意义？
气候变化！！！
当代气候变化的研究离不开大气辐 射学的研究！
全球气候变化愈来愈成为一个热点问题